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Conversores Analógico-Digital
Sistemas Digitais
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Introdução
• Diversas grandezas físicas com as quais lidamos, são grandezas analógicas por natureza.
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Introdução• Valores analógicos não podem ser diretamente processados por sistemas digitais.• Precisam ser convertidos para uma cadeia de bits.• Esta conversão é conhecida como Conversão Analógica-Digital.
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Etapas de Tratamento de Grandezas Físicas
Transdutores são equipamentos que convertem grandezas físicas em sinais elétricos (correntes ou tensões proporcionais) e vice-versa. Exemplo: Tacômetros, Termistores, Células de carga, etc.
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Etapas de Tratamento de Grandezas Físicas
Muitas vezes é necessário realizar o condicionamento do sinal analógico.Tipos de Condicionamento:• ajuste de níveis máximo e mínimo de amplitude;• filtragem em uma banda adequada de frequência, etc.
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Etapas de Tratamento de Grandezas Físicas
Conversão do sinal por um Conversor A/D, resultando no sinal digitalizado.
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Etapas de Tratamento de Grandezas Físicas
O processamento do sinal é feito por um Sistema Digital. Os sistemas digitais apresentam maior flexibilidade e facilidade de depuração. Tipos de elementos de Processamento de Sinal Digital:Microprocessadores, microcontroladores, FPGAs e DSPs.
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Etapas de Tratamento de Grandezas Físicas
A conversão do sinal digital presente na saída do Sistema Digital é feita por um Conversor D/A.
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Por que usar Sistemas Digitais?
Facilmente programáveis Maior precisão e exatidão (Imunidade a ruídos) Maior reprodutibilidade Facilitam o armazenamento (apenas dois valores, 0 ou 1) São compactos
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Digitalização de Sinais Analógicos
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Digitalização de Sinais Analógicos
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Digitalização de Sinais Analógicos
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Teorema da Amostragem de NyquistUm sinal pode ser reconstituído desde que forem extraídas amostras com no mínimo o dobro da freqüência de Nyquist.
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Teorema da Amostragem de Nyquist
kHzN 20 kHzS 40
Freqüência de Nyquist é a maior componente de frequência de um sinal.
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Teorema da Amostragem de Nyquist
Obs: Em geral utiliza-se frequências de amostragens pelo menos 10 vezes maior do que a frequência de Nyquist.
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Quantização
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Erro de Quantização
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Erro de Quantização
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Conversão Analógica-Digital
Para digitalizar um sinal, precisamos de uma base de tempo e um Conversor Analógico Digital (ADC), que fornece uma aproximação digital do sinal original.
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Conversão Analógica-Digital
A aproximação digital é registrada em N bits (nesse caso 4) e a variação pode ser reduzida para uma precisão de, no máximo, 1 parte de 2^N.
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Técnicas de Conversão Analógica-Digital
A determinação de qual utilizar leva em conta: a precisão desejada; e o tempo máximo aceitável para se realizar uma conversão.
As técnicas de conversão A/D São: Codificação Paralela (Conversor A/D Flash); Contador Gerador de Rampa; Aproximações Sucessivas.
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Conversor A/D Flash
Necessita-se de um conjunto de resistores precisos, de forma que as frações de tensões de referência sejam bem-definidas.
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Conversor A/D Flash
Tem como vantagem a velocidade de conversão. Mas é expressivamente caro por necessitar de 2N-1 comparadores para converter N bits.
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Conversor A/D Flash
Ve Vs(1/4Vref) Vs(2/4Vref) Vs(3/4Vref)
0 a Vref/4 0 0 0
Vref a 2/4Vref 1 0 0
2/4Vref a 3/4Vref 1 1 0
3/4Vref a Vref 1 1 1
Funcionamento
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Conversor A/D Flash
Rede de Codificação
Johnson BCD
0 0 0 0 0
0 0 1 0 1
0 1 1 1 0
1 1 1 1 1
Código Johnson
Código BCD
D0 = E1D1=E0+E1’E2
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Conversor A/D Tipo Rampa
1) É gerado um sinal de clear para resetar o contador
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Conversor A/D Tipo Rampa
2) Ve é a tensão analógica de entrada. Se Ve > Vr (no início Vr=0) o clock é habilitado para o contador (saída do comparador é positivo)
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Conversor A/D Tipo Rampa
3) A saída do contador passa por um conversor D/A para gerar a tensão de referência (Vr)
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Conversor A/D Tipo Rampa
4) Enquanto Vr < Ve o contador é incrementado
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Conversor A/D Tipo Rampa
5) Se Vr > Ve, o clock é desabilitado (saída do comparador é zero) ao mesmo tempo que é fornecido um sinal de clock para os FF-tipo D (sensíveis à borda de descida do controle clock) que armazenam a saída do contador, que é o valor binário proporcional à entrada analógica
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Conversor A/D Tipo Rampa
A desvantagem deste conversor está no tempo de resposta. Como o contador sempre começa em zero e realiza a contagem por meio de uma seqüência binária normal, podem ser necessárias (no pior caso) 2n contagens antes da conversão ser completada!
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Conversor A/D Tipo Rampa
Ve
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Conversor A/D Por Aproximação Sucessiva
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Conversor A/D Por Aproximação Sucessiva
1) O sistema é zerado e o bit mais significativo do registrador é colocado em 12) O conversor D/A converte os dígitos binários, gerando a tensão Vr para o comparador3) No comparador: se Ve > Vr este dígito é deixado em 1; se Vr < Ve este dígito é zerado4) O bit mais significativo seguinte é colocando em 15) O processo continua voltando ao passo 2 até o último bit ser verificado
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Conversor A/D Por Aproximação Sucessiva
A vantagem deste conversor está na velocidade de conversão, sendo necessário, para um sistema de N bits, o tempo de N períodos de clock!
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Aplicação de Conversor A/D – Voltímetro Digital
Conversor A/D
Decodificador BCD/7 Seg
Decodificador BCD/7 Seg
7
7Ve